Der CO2-Gehalt der Luft hat von Mitte des 19. Jahrhunderts bis zur Jahrtausend wende von 0,028 auf 0,038% (280 bis 380ppm) zugenommen, was im Wesent lichen auf anthropogene Aktivitäten, wie Nutzung fossiler Energien zurück-geführt wird. Da etwa zur gleichen Zeit die globale Temperatur um 0,7oC anstieg, wird auf einen Zusammenhang geschlossen. In der Annahme eines weiteren An stiegs des CO2-Gehaltes und damit auch der Temperatur werden mittels Compu tersimulationen mögliche Szenarien vorausgesagt, die in der Lage sind, die Menschheit auszulöschen. 

In diesem Zusammenhang wird völlig ausgeblendet, dass das Spurengas CO2 eine Grundlage für das Leben auf unserem Planeten darstellt. Grüne Pflanzenteile synthetisieren aus CO2, Wasser und Sonnenenergie Glukose, den Grundstoff für alle natürlichen organischen Verbindungen und die Primärenergie für alle lebensnot wendigen Auf-, Um-und Abbauprozesse in tierischen und pflanzlichen Zellen.

Ältere, wie neuere Versuche in geschlossenen Systemen haben übereinstimmend ergeben, dass der derzeitigen CO2-Gehalt der Luft nicht für ein optimales Pflan zenwachstum ausreicht und ein Anheben Mehrerträge bringen, die nach Hoch rechnungen auf einen CO2-Anstieg von 100ppm Ertragsteigerungen von 30 bis 70 % bewirken. (). Darüber hinaus erhöhen Syner gieeffekte die Wirkung anderer WachstumsfaktorenFür gärtnerische Intensivkul turen ist die CO2-Düngung eine gängige Kulturmaßnahme.

Untersuchungen über den Einfluss des seit Mitte des 19. Jahrhunderts steigenden CO2-Gehalt der Luft auf die ebenfalls steigenden Erträge landwirtschaftlicher Früchte liegen nicht vor. Sie bedürfen der Klärung und sind Gegenstand dieser Arbeit.

Grundlagen dafür sind Ertragserhebungen aus den Alten Bundesländern Deutschlands (ABL) für Winterweizen (Getreide) und Zuckerrüben (Hackfrucht), die von 1949 bis 2007 vorliegen (und die mittleren jährlichen CO2-Gehalte der Luft von 1850 bis 2000).

Abb.1 zeigt die Entwicklung der Getreide-und Zuckerrübenerträge von 1950 bis 2000 im dreijährigen Mittel. In diesem Zeitraum sind W-Weizenerträge von 27 auf 79dt/ha, d. h. um 192% und für Z-Rüben von 320 auf 577dt/ha, d.h. 80% ge stiegen. Der CO2-Gehalt stieg in diesem Zeitraum von 307 auf 362ppm.

 2000

In Abb. 2 sind die Erträge von W-Weizen und Z-Rüben in Abhängigkeit zum CO2-Gehalt gesetzt. Sie ergeben für den Untersuchungszeitraum lineare, hoch signifikante Relationen.

Aus den Darstellungen in Abbildungen 1 und 2 ist zwingend zu folgern, dass der steigende CO2-Gehalt die Erträge von W-Weizen und Z-Rüben entscheidend beeinflusst hat. An der Plausibilität besteht kein Zweifel; denn: 

Zwischen Wachstumsfaktoren bestehen Synergieeffekte; jede Verbesserung eines Faktors erhöht auch die Effizienz der übrigen. So erbringt z. B. bei vergleichbarer Grundversorgung der gleiche Düngeraufwand auf einem fruchtbaren Boden einen höheren Mehrertag als auf einen weniger fruchtbaren.

Um den Einflüsse von Standorten auf die CO2-Wirkung nachzugehen, wurden die Ertragsentwicklungen von Schleswig-Holstein und Baden Württemberg ver glichen. Schleswig-Holstein mit Seeklima ist Gunststandort für Winterweizen. Die Erträge nehmen im Bundesgebiet von Nord nach Süd ab. Baden-Württemberg mit wärmerem, aber stark variierendem Binnenlandklima ist dagegen Gunststandort für Zuckerrüben, die Erträge nehmen von Süd nach Nord ab.

Abb. 3: Beziehungen zwischen CO2-Gehalt und W-Weizen (obere) und Z-Rüben (untere Darstellung) in Schleswig-Holstein und Baden-Württemberg.

Die Darstellungen in Abb. 3 zeigen, dass die Erträge in den Gunststandorten nicht nur höher lagen sondern mit zunehmender CO2-Versorgung auch stärker anstiegen. So betragen die Regressionskoeffizienten bei Weizen in SH 1,19 gegenüber 0,81 in BW und bei Z-Rüben in BW 5,20 gegenüber SH 4,73. CO2 hatte somit auf den jeweils günstigeren Standorten einen höheren Wirkungsgrad.

Pflanzen benötigen zum Aufbau der organischen Substanz, die schon von der Be gründern der Pflanzenernährung, Carl Sprengel und Justus von Liebig, erkannten 10 Hauptnährelemente*: Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stick stoff (N), Phosphor (P), Schwefel (S), Kalium (K), Calcium (Ca), Magnesium (Mg) und Eisen (Fe). Mit Fortschreiten der Chemie wurde die Bedeutung der Spu­renelemente erkannt: Bor (B), Kupfer (Cu), Mangan (Mn), und Zink (Zn).

Die Zusammensetzung der organischen Substanz für Landpflanzen beträgt im Mit tel C106, H180, O45, N16 und P1 (Wikipedia). Daraus ergibt sich für Weizenkorn eine Zusammensetzung bezogen auf Trockensubstanz von 57% Kohlenstoff, 32% Sau erstoff, 8% Wasserstoff und 3% Mineralstoffe*. Die Werte von Zuckerüben liegen bedingt durch den etwas höheren Gehalt an Mineralstoffen von 5% geringfügig niedriger

Die Relationen zwischen Versorgung mit Nährelementen und Wachstumsfaktoren zum Ertrag zeigt Abb. 4. Bei starkem Mangel bewirkt bereits eine geringe Verbes serung der Zufuhr einen starken Anstieg des Ertrages. Dieser nimmt mit zuneh mender Sättigung bis zum Ereichen des Ertragsgrenzwertes ab. Überver sorgungen führen zum nicht ertragswirksamen Luxuskonsum und wirken bei stark überhöhtem Angebot toxisch mit Verminderung von Ertrag und Qualität.

Die volle Ertragsleistung ist nur erreichbar, wenn alle Wachstumsfaktoren -d. h. auch die nicht durch anthropogene Aktionen beeinflussbaren -im Optimum liegen. Unter natürlichen Wachstumsbedingungen ist das nicht erreichbar. Dabei werden die Erträge am stärksten von dem Faktor begrenzt, der am weitesten im Minimum liegt. Bei seiner Optimierung ist die Wirkung umso höher, je günstiger die Situati on bei den anderen Faktoren ist. wie die unterschiedlichen Ertragsent-wicklungen von W-Weizen und Z-Rüben in Schleswig-Holstein und Baden-Württemberg zeigen. Nährelemente sind alle Elemente, die Pflanzen für ihre Entwicklung benötigen. Mit Nährstoff werden nur die Elemente bezeichnet, die in mineralischer Form aufgenommen werden. Wasser und CO2 gehören nicht dazu. Zu Mineralstoffen gehören außer Nährstoffen auch nicht ertrags wirksame Ballaststoffe wie Silizium (Si) und Aluminium (Al).

Nährstoffe

Wie die Ergebnisse eines umfangreichen Versuchswesen eindeutig zeigen, war die Mineralstoffernährung landwirtschaftlicher und gärtnerischer Kulturen in den Alten Bundesländern aus natürlichen und durch überhöhte Mineraldüngerauf wendungen angereicherter Bodengehalte in Verbindung mit der Düngung seit den 1950er Jahren für das volle Ertragsniveaus ausreichend. Steigerungen der Dünge gaben bewirkten keine Mehrerträge. Die Versorgung lag überwiegend im Bereich des Luxuskonsums, Ertragseinbußen durch Überversorgung waren nicht auszu-schließen. Mindererträge durch Nährstoffmangel waren auf extensiv wirtschaf tende Betriebe, Nutzungsänderungen und Neukultivierungen beschränkt. Ihr An teil an der landwirtschaftlichen Nutzfläche war gering und hatte keinen Einfluss auf die Durchschnittserträge

Wasser

Landpflanzen bestehen zu 10 % (Samen) bis zu über 90% (Blätter) aus Wasser. Es ist das Medium, in dem die lebensnotwenigen Umsetzungen stattfinden, ist Reak tionspartner für Umsetzungen (Zuckersynthese) und Transportmittel für organische und mineralische Stoffe. Die Nährstoffaufnahme im Boden ist an die Anwesenheit von Wasser gebunden.

Der Transpirationskoeffizient – der Bedarf an Wasser für die Produktion von ei nem Kilogramm Trockensubstanz -nimmt mit der Versorgung von Nährstoffen und CO2 ab, d. h. , es wird weniger Wasser für die Produktion benötigt je besser die Versorgung ist. 

Die für die pflanzliche Produktion verfügbare Wassermenge ist abhängig von Klimafaktoren, wie Temperatur, Niederschlagsmenge und -verteilung und dem Was serhaltevermögen des Bodens. Wasser ist in Trockengebieten nach dem CO2-Gehalt der Luft der ertragsbegrenzende Wachstumsfaktor. Da jede Ertragssteigerung einen höheren Wasserverbrauch mit sich bringt, wird Wassermangel auf weiteren Standort zum begrenzenden Minimumfaktor für die pflanzliche Produktion.

Kohlenstoff.

Kohlenstoff, dessen Anteil in organischen Verbindungen über 50 % beträgt, ist das einzige Nährelement, das aus der Luft assimiliert und sofort in organischen Verbindungen eingebaut wird, d. h. sofort in Ertrag umgemünzt wird.

Der optimale CO2-Gehalt der Luft für Winterweizen beträt 1.200ppm (0,1205%), für Zuckerrüben liegt kein Wert vor. Die Versorgung hat sich bei Weizen 2000 von 23,4 auf 30,2% des Optimums verbessert, sie liegt aber nach wie vor im Be reich des starken Mangels, wo bereits geringe Veränderungen des Angebotes hohe Ertrags-und Wachstumssteigerungen bewirken. ( Abb.4, Tab 1)

Bis in die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts beschränkte sich die Düngung von Ackerland auf Verwendung von „Natur“-Dünger, der aus dem biologischen Kreis lauf stammt und über Tierhaltung auf nicht bewirtschafteten Flächen entzogen wurde. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Ernährung mit Mineralstof fen unzureichend war und eine Ergänzung durch mineralische „Kunst“-Dünger die Erträge erhöhte. Da der im absoluten Minimum liegende

CO2-Gehalt ebenfalls anstieg, muss diesem wegen der Wechselwirkung zwischen den Nährelementen ein wesentlicher Anteil am Ertragszuwachs zugemessen werden, denn jede Verbesserung eines Wachstumsfaktors erhöhnt die Effektivität der übrigen, wobei von dem Element, das am weitesten vom Optimum entfernt ist, die stärkste Wirkung ausgeht.

Die für W-Weizen und Z-Rüben gezeigten Ertragssteigerungen von 1950 bis 2000 sind auf andere Getreidearten übertragbar, wie Ertragsauswertungen von Dölger (2008) für die übrigen Getreidearten ergeben. Sie liegen bei Wintergetreidearten deutlich höher und unter den Getreidearten spricht Weizen am stärksten auf die verbesserte CO2-Ernährung an (Tab. 2).

 

Weitere mögliche Einflussfaktoren.

Vom Landbau werden als wesentliche Ursache der Ertragssteigerung Pflanzen schutz, Züchtung und verbesserte Bodenbearbeitung angesehen.

Ertragsausfällen durch tierische oder pflanzliche Schädlinge, die in der Vergan genheit zu z. T. verheerende Ertragsausfällen führten, wird durch prophylaktische Maßnahmen begegnet. Spätestens seit den 1960er Jahren ist der Pflanzenschutz so effektiv, dass keine gravierenden Ertragsbeeinflussungen zu verzeichnen sind.

Die Pflanzenzüchtung hat die Ertragsentwicklung der Kulturpflanzen entschei dend, aber nur indirekt mitgeprägt. Sie entwickelt Sorten, die verbesserte Stand ortsbedingungen – wie Versorgung mit Nährelementen, Bodenbearbeitung -opti mal nutzen können. So wären Lokalsorten des 19. Jahrhunderts nicht in der Lage das Ertragspotential heutiger Standorte voll auszuschöpfen. Andererseits könnten die neuen Hochleistungssorten ihre volle Leistungsfähigkeit unter den Anbaubedingungen früherer Jahrhunderte nicht entfalten. Wahrscheinlich wären sie den jeweiligen Lokalsorten im Ertrag sogar unterlegen.

Die Bodenbearbeitungstiefe betrug bis Mitte des im 19. Jahrhunderts 12 bis 15cm. Sie stieg durch Verbesserung der Pflugtechnik und seit Mitte des 20. Jahrhunderts durch Maschineneinsatz auf 30 bis 35 cm. Durch Vergrößerung des Wurzelungs raumes und Brechen undurchlässiger Bodenschichten werden Wasser- und Nährstoff- vor allem aber die Wassergehalte in Unterboden und Untergrund intensiver genutzt. Dies hat zweifellos zu Ertragserhöhungen beigetragen, ihr Anteil ist schwer abzuschätzen. Auch hier muss davon ausgegangen werden, dass die Standortsverbesserung auch die Effizienz des steigenden CO2-Gehaltes erhöht hat.

Bisher wurden die hohen Ertragssteigerungen von Nahrungspflanzen seit Mitte des 19.Jjahrhunderts ausschließlich auf bessere Ernährung mit Mineralstoffen,
verbesserte Anbautechniken und Pflanzenzüchtung zurückgeführt. Dem während dieses Zeitraumes steigenden CO2-Gehalt der Luft wurde keine Bedeutung beigemessen. Die vorliegende Arbeit beweist, dass CO2 daran einen bedeutenden Anteil hatte und seit Mitte des 20. Jahrhunderts der dominierende Faktor war.

Da die CO2-Versorgung weiterhin im starken Mangel liegt, wird sich ein weiterer Anstieg des CO2-Gehaltes der Luft positiv auf die Ertragsniveaus landwirtschaftlicher Früchte auswirken. Wo die Grenze des Wachstums liegen wird, ist schwer abzuschätzen. 

Mit zunehmenden Erträgen gerät Wasser mehr und mehr ins Minimum. Es ist
schon jetzt auf schwachen Standorten und in niederschlagsarmen Jahren der begrenzende Faktor und wird sich bei weiter steigenden Erträgen auch bessere Standorte erfassen.

Unbekannt sind ferner die maximal erreichbaren Ertragspotentiale von Kulturpflanzen. Das Ertragspotential für W-Weizen beträgt z. Z. bei 150 -175dt/ha. Ist damit das Ende erreicht oder sind wesentliche Steigerungen durch Züchtung möglich?

Die durch steigenden CO2-Gehalt der Luft ausgelösten Ertragssteigerungen der Landwirtschaftlichen Produktion haben sich positiv auf die Menschheit ausgewirkt. Sie haben wesentlich zu dem bis dahin nicht bekannten hohen Lebensstandard in den Industrienationen beigetragen. Durch die steigenden Erträge verbilligten sich die Lebensmittelpreise. Wurden bis Mitte des 20. Jahrhunderts noch über 50% des Einkommens für die Ernährung benötigt, sind es heute 12 % bei einem deutlich höheren Anteil an hochwertigen tierischen Produkten. Die Folge waren erhöhte Nachfragen an industriellen Gütern und Dienstleistungen, die  weltweit einen bis dahin nicht bekanntem Innovationsschub auslöste.

Sie hat entscheidend dazu beigetragen, dass die Nahrungsmittelversorgung der steigenden Weltbevölkerung nicht vollends zusammengebrochen ist. Wenn die Weltbevölkerung bis Mitte dieses Jahrhunderts nochmals um 3. Mrd. wachsen soll und bei 9 Mrd. zum Stillstand kommt, und weiterhin die Nachfrage nach hochwertigeren Lebensmitteln und Bioenergie steigt, ist dazu eine Verdoppelung der landwirtschaftlichen Produktion notwendig. Wird dann das derzeitige CO2-Angebot ausreichen? 

Der Autor dankt Herrn Dipl.-Geoökolol. Hans-Peter für Gestaltung und Anfertigung der Abbildungen

Literatur:

v. Alvensleben, A., 2002: Kohlendioxid und Klima. Vortrag vor Old Tabele Frei burg.

Anonym: Statistisches Bundesamt, Land-und Forstwirtschaft, Fachserie3, Reihe 1 Jahrgänge 1950 -2001

Atmospheric CO2. Enrichment, 2003: Just What the Food Doctor Ordered, CO2-Science, Editorial, Vol. 6 Nr. 15

Fink, A., 1979: Dünger und Düngung, Verlag Chemie, Weinheim

Dölger, D., 2008: Entwicklung der Flächenproduktivität auf verschiedenen Stand-orten Mitteleuropas, DLG-Kolloquium, Berlin

Malberg, h., 2009: Über die kritische Grenze zwischen unruhiger und ruhiger Son ne und ihre Bedeutung für den Klimawandel, Beiträge zur Berliner Wetterkarte, http://www.Berliner-Wetterkarte.de

Mengel,K., 1968: Ernährung und Stoffwechsel der Pflanze, Fischer Verlag, Stutt gart

Wikipedia – Photosynthese: http//de.wikipedia.org/wiki/Photosynthese

LLD. a. D. Dr. rer. hort. Werner Köster Reuterkamp 15 D-3184o Hessisch Oldendorf Fax: 05158-990882 e-mail: koester-w@t-online.de

Dr. Werner Köster EIKE

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